MnO2和Fe3O4-銀基復(fù)合納米催化劑的制備及其氧還原反應(yīng)電活性.pdf

1、燃料電池是一種將燃料和氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。作為一門高效、清潔、環(huán)保的能源技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、資源緊缺匱乏的新世紀(jì)，燃料電池被賦予了重要的研究意義。氧還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池陰極催化劑上發(fā)生的重要反應(yīng)，其催化劑主要采用的是Pt及Pt基金屬。Pt及Pt基金屬催化劑價格昂貴、容易中毒，從而限制了燃料電池的商業(yè)推廣。Ag基催化劑制備工藝簡單，在堿性溶液中對氧還原反應(yīng)具有極好的電催化活性。因此，開發(fā)新型Ag基催化

2、劑成了人們研究的熱點。本文采用酸化碳納米管作為催化劑的載體，研究了兩種不同的過渡金屬氧化物，分別是二氧化錳（MnO2）和四氧化三鐵（Fe3O4），對Ag基催化劑進(jìn)行修飾后的電催化活性，并在此基礎(chǔ)上對其制備過程進(jìn)行優(yōu)化。通過一系列的物理表征，觀察了催化劑的結(jié)構(gòu)晶型、表面形貌和顆粒大小，并通過電化學(xué)測試方法研究了催化劑對氧還原的電催化活性以及穩(wěn)定性等。本論文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　（1）采用化學(xué)還原法，以酸化碳納米管作為

3、載體，使用硼氫化鈉還原制備得到了不同負(fù)載比例的Ag/MnO2/MWCNT,其中包括Ag/MWCNT、Ag/5％MnO2/MWCNT、Ag/10%MnO2/MWCNT、Ag/15%MnO2/MWCNT。采用SEM、XRD等表征方法對催化劑進(jìn)行物理表征，結(jié)果顯示催化劑分散良好、顆粒的粒徑小。通過循環(huán)伏安法、線性掃描法等電化學(xué)測試方法，在堿性環(huán)境中研究了催化劑對ORR的電催化活性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，當(dāng)MnO2的摻雜比例為5%時，催化劑對ORR

4、反應(yīng)的催化活性最好。在堿性溶液中Ag/5%MnO2/MWCNT的ORR起始電位為0.003V（vs Hg/HgO），ORR最大電流密度達(dá)到了3.38 mA·cm-2。
　?。?）運用化學(xué)還原法，在酸化碳納米管的基礎(chǔ)上，負(fù)載不同比例的MnO2，在制備得到的不同比例的MnO2/MWCNT的表面，用硼氫化鈉還原硝酸銀和硝酸鈷沉積一定量的納米銀和納米鈷顆粒（Ag、Co摩爾比為8:2），最終制備得到不同摻雜比例的Ag8Co2/MWCNT、

5、Ag8Co2/5%MnO2/MWCNT、Ag8Co2/10%MnO2/MWCNT、Ag8Co2/15%MnO2/MWCNT。通過 SEM、XRD等表征方法對催化劑進(jìn)行物理表征。結(jié)果顯示，催化劑的表面平整，有粗細(xì)不同的顆粒均勻分布在碳納米管之間，且碳納米管之間有諸多空隙，增大了O2與催化劑之間的接觸面積。通過循環(huán)伏安法、線性掃描法等電化學(xué)測試方法，在堿性溶液中研究了催化劑對ORR的電催化活性和穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，催化劑Ag8Co2/10%M

6、nO2/MWCNT上，其在旋轉(zhuǎn)速度為2000r·min-1時的極限電流密度是為6.0mA·cm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ag8Co2/MWCNT的極限電流密度。
　?。?）采用氧化還原法，制備得到了碳包覆Fe3O4，以Ag/MWCNT為基底，摻雜不同比例的碳包覆Fe3O4，得到了Ag/2%Fe3O4/MWCNT、Ag/5%Fe3O4/MWCNT、Ag/10%Fe3O4/MWCNT。通過SEM、XRD等表征方法對催化劑進(jìn)行物理表征，結(jié)果顯示，催